迷宫压缩机中迷宫泄漏流动泄漏计算与实验研究

对迷宫式压缩机的迷宫泄漏流动进行了模拟和计算．探讨了迷宫间隙、迷宫槽数、活塞偏心量及迷宫密封压力等主要参数对泄漏的影响规律．提出了迷宫机构主要参数的设计值选取范围。

考虑转轴伸长效应的刷式密封泄漏流动和摩擦传热特性

为研究转轴伸长效应对刷式密封的泄漏量与摩擦传热特性的影响,建立了考虑转轴伸长效应的刷式密封流热固模型的泄漏流动和摩擦传热特性数值模型。通过数值求解三维雷诺时均(RANS)方程和多孔介质模型局部非热平衡能量方程的方法研究了刷式密封流动传热特性;采用有限元法方法,研究刷式密封非线性接触和转轴伸长特性,研究了转速、压比等不同工况和前、后夹板与转轴径向间距等几何参数对刷式密封的泄漏流动、摩擦传热特性的影响规律。研究结果表明:相比于不考虑转轴伸长,考虑转轴伸长时刷式密封泄漏量减小,刷丝束最高温度明显升高;刷式密封泄漏量随压比的增大,前、后夹板与转轴间隙的增大而增大,随转速的增大而减小;随着压比增大,刷式密封最高温度越高,但刷丝束平均温度降低。随着转速增大,刷式密封最高温度显著提高,转速从1000 r·min^(-1)增长到4000 r·min^(-1)时,刷丝束最高温度增加了约86%。随着前、后夹板与转轴面的间距增大,刷丝束最高温度先升高、后降低。研究为刷式密封运行工况下的流动传热特性分析提供了一定的参考。

基于刷丝束叉排管束模型的透平机械刷式密封泄漏流动特性和封严机理研究

【目的】为获得刷式密封的精细化泄漏流动特性,并揭示其封严机理,建立基于刷丝束叉排管束模型的刷式密封泄漏流动特性数学模型。【方法】数值求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(shear stress transport,SST) k-ω湍流模型,研究刷式密封泄漏量和刷丝束间隙的流动特性。数值模拟获得的泄漏量和压力分布与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。获得了4种压比和转速下的刷式密封泄漏量和刷丝束间的泄漏流动曲线。【结果】随着进出口总静压比的增大,刷丝束内部开始出现细小漩涡并逐渐发展,对泄漏流的阻碍作用变大,刷式密封泄漏量增大的趋势逐渐减缓,最后一排刷丝承受的压差占比从13.1%增加至26.3%。【结论】在所研究的转速范围内,转速对刷式密封的泄漏量的影响可以忽略。压比不同时,泄漏流在末排刷丝与后夹板间隙处的径向流动与围栏高度处轴向流动强度存在差异,导致后夹板下方涡系结构不同,通过刷丝束间精细化泄漏流动分析,揭示了刷式密封的封严机理。研究结果可为三维叉排管束模型在刷式密封泄漏流动研究中的应用提供参考。

立式轴流泵装置叶轮间隙泄漏流动与受力稳定性研究

为了研究不同叶顶间隙对轴流泵泄漏流动特性的影响,采用SST k-ω湍流模型,对立式轴流泵原型进行三维数值模拟计算,分析泄漏流动对叶片表面压力分布和泵装置叶轮受力特性的影响。计算结果表明,随着流量的增大,轴流泵叶顶泄漏涡的发生位置逐渐向叶片尾缘处移动,随着流量的增大,叶片前缘压力面处出现泄漏涡,叶片表面压力差最大值也从叶片前缘处逐渐向叶片尾缘处移动。通过叶轮受力特性分析可知,设计流量工况下间隙尺寸对叶轮径向力的变化影响较小,非设计流量工况下,随着间隙尺寸的增大,叶轮受到的径向力波动幅度逐渐增大,可能对轴流泵的稳定运行造成影响。

基于多孔介质模型的刷式密封泄漏流动特性研究

采用数值求解基于多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程技术,对刷式密封内泄漏流动特性进行了详细的数值研究.根据刷式密封的泄漏量试验数据,确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数.利用所确定的渗透率系数,数值计算和分析了7种压比和5种径向间隙条件下的某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态,并且与迷宫式密封进行了比较.结果表明:在相同的压比下,刷式密封的泄漏量小于迷宫式密封;压比影响刷式密封的泄漏量,但对泄漏流动形态的影响可以忽略;径向间隙不仅影响刷式密封的泄漏量,而且影响泄漏流动形态;在相同的径向间隙下,压比越大则泄漏量越大;在相同的压比条件下,径向间隙越小则泄漏量越小.研究工作可对刷式密封在汽轮机中的应用提供理论依据和技术参考.

汽轮机动叶顶部间隙泄漏流动特性的数值模拟

以一个小展弦比轴流透平级为研究对象,采用数值方法对不同动叶顶部间隙情况下的间隙泄漏流动进行了分析,研究了间隙流和间隙涡的形成、发展及其对透平级性能的影响。以三维流线和极限流线为手段,分析了6种间隙尺寸下动叶顶部的泄漏流和泄漏涡造成的损失及其与主流掺混的过程。结果表明:动叶顶部间隙两侧压力面和吸力面之间的压力差使汽流从压力面被吸入间隙,跨过叶顶,进入相邻叶栅通道的吸力面,导致泄漏流动;与无间隙的情况相比,叶顶间隙的存在使上端壁处的流场发生明显变化,引起损失迅速增长;随着间隙的增大,泄漏涡的产生位置提前,强度增大,从而导致更大的流动损失。

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性。数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性。揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动。给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响。研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失。动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构。动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响。

模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型

将刷束处理为多孔介质,在动量方程中引入由于多孔介质对流体流动的阻碍作用而引起的动量源项,之后详细分析了刷束孔隙率的确定方法并根据实验结果确定了该孔隙率,从而建立了模拟刷式封严泄漏流动的多孔介质模型.对该模型的计算结果做进一步的修正后,可以与实验结果很好地吻合,证明了利用该模型预测刷式封严的泄漏量是可行的.

汽封泄漏流动对透平叶片级通道主流影响的数值研究

本文采用作者发展的叶轮机械通用计算程序ＧＡＰ１０程序对带汽封结构反动式透平叶片级流场进行三维数值模拟，分析了汽封泄漏流动进入叶栅通道后动叶片通道的流场结构，并讨论了泄漏流动对通道二次流动发展方式的影响。

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。

低滞后刷式密封泄漏流动数值模拟及结构优化

基于多孔介质模型,采用计算流体力学软件Fluent对常规、低滞后矩形及翼型3种刷式密封泄漏流动特性进行数值模拟,结果表明:相比于常规刷式密封,矩形刷式密封迟滞性并没有得到改善,翼型刷式密封在降低迟滞性的同时泄漏量却大大增加。为改进低滞后刷式密封的性能,提出背板轴向间隙的概念,并研究背板轴向间隙对低滞后刷式密封泄漏流动特性的影响,结果表明:在前后压比一定的条件下,泄漏量与轴向间隙成正比,而泄漏增加量与轴向间隙成反比,且均在轴向间隙较小时变化较明显;相较于矩形刷式密封,轴向间隙密封随着轴向间隙的增大,背板处压力值除在保护高度区域内略有提高外,在其他区域均明显下降,且轴向间隙由0增大到0.1 mm时的压力下降效果最明显。

高低齿迷宫式汽封泄漏流动特性研究

针对汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封的复杂结构和轴的旋转效应,采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术研究其泄漏流动特性。采用有限体积方法离散Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用SIMPLE算法,迎风二阶格式求解对流项,迎风一阶格式求解扩散项。研究分析了在相同汽封轴向距离和汽封间隙条件下,三种不同齿数的高低齿迷宫式隔板汽封在不同压比下的泄漏流动特性,并计算了相应的量纲一流量系数。数值模拟结果证明了在相同压比和汽封轴向距离条件下齿数减小会造成泄漏量增加,在相同的齿数条件下,量纲一流量系数随着压比增加而增大。研究工作为工程设计高低齿迷宫式汽封提供了理论依据和技术支撑。

涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动.研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能.研究工况包括无间隙,0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角.通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布.实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变.随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加.

刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性数值研究

为评估刷式-迷宫密封的封严性能和偏心涡动时对转子安全稳定性的影响,采用基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立了数值研究刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的数学模型。研究了压比为1.96、3、4.49、6.9,进口预旋速度为-50、-30、0、30、50 m/s和4种转子自旋速度为3×10~3、7.5×10~3、1.5×10~4、2×10~4 r/min下刷式-迷宫密封泄漏流动特性和转子动力特性系数,并与传统迷宫密封进行了比较。研究结果表明:刷式-迷宫密封的泄漏量显著小于迷宫密封,在压比为6.9时,刷式-迷宫密封的有效间隙仅为迷宫密封的25.5%;刷式-迷宫密封的直接刚度随压比和进口预旋速度绝对值增大而增大,随转子自旋速度改变变化不明显;有效阻尼随进口预旋和转子自旋速度的升高而降低。刷丝束具有止旋作用,相比迷宫密封,刷式-迷宫密封的交叉刚度和有效阻尼对运行工况变化敏感度更低,且刷式-迷宫密封的直接刚度在研究工况范围内均大于迷宫密封,临界转速更高。在相同工况条件下,刷式-迷宫密封的封严性能显著优于迷宫密封,正向预旋速度较大或转子自旋速度较低时,刷式-迷宫密封有效阻尼大于迷宫密封,转子系统的稳定性更好。

涡轮叶栅叶冠泄漏流动数值研究

以小展弦比涡轮叶栅为研究对象,利用三维数值计算的方法研究了篦齿数、篦齿排列型式、上下游压力以及径向间隙对叶冠泄漏流量的影响,并分析了泄漏流动与主流的相互作用。研究表明,叶片排上下游压比和径向间隙是影响叶冠泄漏流动的主要因素,篦齿数和篦齿排列型式对泄漏流量的大小和出口气流角均有重要影响。考虑了主流的影响之后,叶冠出口流动呈现出高度的三维性和周向不均匀性。在周向压力梯度的作用下,径向速度以正负交替的形式出现,而且周向速度和轴向速度则出现了明显的分层结构。

液相和多相环境下环形动密封泄漏流动和转子动力特性的研究进展

为保证泵和压气机的全负荷、高效和稳定运行,针对运行在液相和多相环境下的环形动密封特殊的泄漏流动和流体激振转子动力特性,研究人员开展了大量的理论和实验研究。首先,对液相和多相环形动密封的应用背景、密封流体激振力产生机理和转子动力特性系数数学模型进行了分析;然后,分别对纯液相环境下的环形动密封技术性能分析方法和结构设计研究进展,气液两相环境下环形动密封的泄漏流动、转子耗功和动力特性的研究现状,以及湿气环境下环形动密封技术的泄漏流动和转子动力特性的实验测量和数值模拟方面的研究结论进行了综述;最后,基于目前液相和多相环境下环形动密封性能在实验测量、数值模拟和理论分析方面的研究结论,展望了环形动密封技术在多相环境下的泄漏流动和流体激振转子动力特性方面需要深入开展的研究课题。针对纯液相环形动密封,研究人员已开发了相应的实验测试方法和基于BULK FLOW模型和CFD(computational fluid dynamics)的数值预测方法,还需进一步开展高效抑振方法和高阻尼液相动密封技术研究;针对气液两相环形动密封,研究人员主要通过实验测量方法获得气相组分和液相组分对密封泄漏和转子动力特性的影响规律,还需进一步开展气液两相密封高精度数值预测方法和密封微小间隙内两相流动机理研究。

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。

液环泵轴向叶顶间隙泄漏流动的等离子体控制数值研究

针对液环泵叶轮轴向叶顶间隙泄漏问题,提出采用介质阻挡放电等离子体激励对液环泵轴向间隙气相泄漏流动进行控制,耦合唯象学模型、RNG k-ε湍流模型及VOF气液两相流模型模拟不同激励电压下等离子体对泄漏流场的干扰作用,探究等离子体激励对间隙泄漏流场的调控机理。结果表明,等离子体激励诱导的壁面射流方向与间隙泄漏流动方向相反,诱导的反向壁面射流能够有效地抑制泄漏流强度,并在一定程度上改善间隙泄漏流引起的二次流动,降低间隙泄漏流动损失;同时在等离子体激励的非间隙区域,等离子体激励诱导产生旋涡结构,使得近壁区域产生额外的水力损失。激励电压及位置对泄漏流控制效果有重要的影响,15 kV激励电压的等离子体流动控制效果明显优于10 kV激励电压,当激励位置位于叶顶间隙出口附近时等离子体激励对泄漏流具有较好的抑制效果。研究结果能够为液环泵的性能优化提供理论参考。

汽轮机叶片正弯对叶顶间隙泄漏流动影响的数值模拟

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法对在相同叶顶间隙高度下的常规扭叶片和正弯扭叶片的叶顶间隙流动进行了数值模拟。研究结果表明:与常规扭叶片相比,叶片正弯提高了汽流在叶顶区的最低压力值,减小了叶顶压力边与吸力边的横向压力梯度;汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动弱于在常规扭叶片内形成的影响;正弯扭叶片使汽流在吸力面和压力面上形成了叶顶部正径向压力梯度、叶根部负径向压力梯度的"C"型压力分布,同时降低了叶片上端部附近的总压损失。叶片正弯既降低了叶顶泄漏损失,又降低了叶栅通道内的掺混损失。